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第17章 物理活动课内容选编(7)

过0点作EF的垂线GO,把白纸沿虚线GO对折起来,将发现直线ABO和直线CDO完全重合,想一想这个现象证明了什么规律?ABO为入射光线,CDO为反射光线,GO为法线,∠AOG=∠DOG,这不就是我们学过的光的反射定律吗?几根大头针,一张白纸,这么简单的仪器,居然能验证重要的光学定律,多么巧妙!多么有趣!可见科学也不都是那么神秘,同学们不妨动手试一试。

实验二,如图(2)所示:在纸上画一直线EF,画nn′与EF垂直,相交于O点,在O点插第一枚大头针,沿EF直线放一块矩形玻璃,在距O点不远的任意位置上插第二枚大头针A,让我们将眼的位置放低到和纸面相平,移动眼睛隔着玻璃看去,当看到玻璃里两个针的像恰好重合时,拿起第三枚大头针靠在玻璃片前边的B点插上,使它遮住A、O两针的像,接着在玻璃前面再插第四枚大头针,使它遮住前三根针的像,最后把玻璃片和针拿掉,画出直线AO、OB和BC,因为A、B、O的像重合在一起,所以光线是依着AOBC的曲线路经到达眼睛的,AO是空气里的一段入射线,OB是玻璃里的一段折射线,BC是从玻璃进入空气的一段折射线。用量角器量一下∠AOn和∠OBn′,得到∠AOn>∠BOn′,再量一下∠OBM和∠CBM′,得到∠OBM<∠CBM′,改变A针位置重作几次,可以看到同样的现象,这个实验现象说明了什么问题?通过实验我们可以得出下面的结论:

“光从一种透明物质进入另一种透明物质时,在分界面上要改变方向,这种现象叫做光的折射。入射线、折射线和法线在同一平面内,入射光线和折射光线分居法线的两侧。如果光线从空气进入玻璃,入射角总是大于折射角,如果从玻璃射入空气,入射角总是小于折射角。”

请你解释筷子插在水里为什么会变弯?星星为什么会一闪一闪的?

天空光现象模拟小实验

浩瀚的大自然无奇不有。很多奇观,如天空彩虹,三个太阳(日晕)等,都是一种光现象。中师和高中《物理》都涉及这些内容。怎样把天空的光现象,用人工方法再现在学生眼前,是既有意义,又有趣味的事。山东省文登师范学校董文承老师结合教学实际举了4例。

人造彩虹雨过天晴,天空中常出现一道道彩色的虹和霓。这是太阳光色散现象。

人造彩虹方法简单,在天空晴朗的日子,阳光充足的时刻(下午两三点钟为最好),用喷雾器装入清水,背向太阳,朝太阳和你眼睛的连线的成40°角的方向,将水喷出,水珠喷得越细越好。沿着喷水方向看去,就会在人造雾中看到一道美丽的虹。如果光强并且做法得当,还能看到霓(图1)。

“视而不见”的太阳在广阔平坦的田野上,看到一轮红日从地平线刚刚升起时,实际上太阳还处在地平线以下,看到的原来是靠大气折射所成的太阳虚像(图2)。

请做一个有趣的实验,在桌面的一端点放着一支蜡烛,另一端叠放几本书,书的厚度使你眼睛平视时,刚好看不见烛焰。在无色透明的薄壁饮料瓶里装满清水,盖紧瓶盖横放在书前(瓶的直径要比书的厚度大)。眼睛放在原处便会看到烛焰了(图3)。

把书面比作地平线,瓶里的水比作大气层,烛焰比作太阳,便会理解观察日出发生的现象了。

日、月晕简单日晕、月晕是常见的,在太阳或月亮周围出现白色或彩色亮环。这是因为,高空温度较低,是那里的形状规则的小冰晶对白光色散的结果(图4)。

利用一个简单的方法可以观察到晕。夜晚,在屋里向窗玻璃上哈一层水汽,水汽不宜厚,水滴不宜大。关掉屋里的灯,隔着有一层水汽的玻璃向外观看一盏较远且光线强的灯。在灯的周围就会出现彩色的光圈这就是晕。其生成道理与天空晕相似,不过它是由小水滴偏折产生,不如日晕、月晕那么明显罢了。

蓝天与红日太阳射出的是白光,大气是无色透明的,为什么晴天时天空是蔚蓝色的?为什么在早晚,出山落山的太阳又是红色的?原来这是空气分子对太阳光散射的结果,看到的天空蓝色,就是容易被散射的、波长较短的蓝光和紫光的综合色。早晚太阳光穿过大气层较其他时候厚,波长短的光散射得厉害,射到眼中主要是波长较长的红光。因此,看起来太阳是红色的。

在一个无色透明的大玻璃槽里装有清水,加几克海波(即硫代硫酸钠),搅动溶解后,滴一滴浓硫酸,再次搅匀(或者在清水中滴几滴牛奶)。用白光从一侧照射水槽,从侧面观察呈现淡蓝色,从光源对面观察,看到的就是红色。犹如看见的蓝天与红日(图5)。

“研究弹性碰撞”实验装置的改革

高中物理课本(甲种本)第一册“研究弹性碰撞”实验装置中斜槽末端与支持被碰小球的小的支柱等高。入射小球与被碰小球碰撞后,入射小球从斜槽末端水平抛出的速度不大,它经过斜槽末端与小支柱之间的水平间隙时下降的竖直高度不能忽略,入射小球一定会跟小支柱碰撞。

实际做这个实验,动量和动能损失都较大。江西省永新县禾川中学罗明远老师用下面两法改进之。

(1)把两球半径相等改为被碰小球的半径r2大于入射小球的半径r1(两球分别选密度不同的弹性材料,保证入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2)。实验时调节小支柱,使两小球的球心等高,并使斜槽末端点与小支柱中心的水平距离为r1+r2,见图1(图1、图2中入射球的质量都为被撞小球质量的3倍)。

(2)去掉小支柱结构,尽量选取光滑斜槽轨道,让入射球在斜槽轨道末端水平部分与原静止的小球发生正碰(如图2)。这样一改,不仅装置简单,而且去除了小支柱调试不当对实验的影响,省去了小球半径的测定。

通过近几年来学生的多次实验,证明用上面的两种方法改进后的这个实验均能收到很好的效果。

顺便指出,根据弹性碰撞中动量和动能守恒,可得质量为m1的入射球以速度u1与原静止的质量为m2的被碰球发生弹性碰撞,碰后m1的速度u1′=m1-m2m1+m2u1m2的速度u2′=2m1m1+m2u1该实验中u1、u1′及u2′可分别用图中的线段OP、OM及O′N的长度来表示(见课本图10-19)。用刻度尺量得课本中这三条线段的长度,分别代入上述u1′及u2′的表达式中,然后由这两个式子联解可得m1≈12m2。两球的半径相等,而质量比为12倍,这也是不妥的。因为在实际中,两种弹性材料的密度比为12倍很难办到;若m2为密度小的材料制成的空心球,不仅制造困难,具多次实验也容易打碎。即使这些问题都能解决,m2因与m1体积相等,而重力只有m1的1/12,碰撞后m2的速度u2′又为u1′的24/11倍(以m1-12m2计算),则m2所受空气阻力的影响就比m1大得多,这将影响实验的效果。另外课本中该图的线段O′N的长度不等于OP+OM的长度,这与由动量守恒和动能守恒两个关系式联解得到的u2′=u1+u1′相矛盾。从以上分析可知,该插图与实际不符。笔者认为实验教学中的每一个细节都应做到经得起推敲。

测定物质的密度

基本原理:先测物体的质量m,再测物体的体积V,然后用公式ρ=m/V计算物体的密度。

问题1:给你器材如下,托盘天平1架,量筒1只,一定量的某种待测液体,请你用上述器材测出待测液体的密度。要求:

(1)简要说明测量的主要步骤及需要测量的物理量。

(2)用测得的物理量写出计算液体密度的表达式。

[分析与解]问题1的题设条件中所给定的器材是天平和量筒,因而质量和体积可直接测得,因此本问题是测定物质密度的基本问题,它所涉及的方法是测定物质密度的基本方法,其解法如下。

(1)步骤:①用天平称出空量筒的质量(m1)。

②向量筒内注入适量的待测液体,再用天平称出它们的总质量(m2)。

③读出量筒内液面所达到的刻度(V)。

(2)表达式:ρ液=m2-m1V。

问题2:现有托盘天平1架,空瓶1只,水和某种液体。试用上述器材测定所给定的液体的密度。

[分析与解]与问题1相比,问题2的题设条件所给定的器材中,有天平缺量筒,增加了水和一只空瓶,液体的质量可由天平直接测得,但缺少量筒,液体的体积只能用天平、空瓶和水的组合来代替量筒测定。这种组合方法可称为“天平称体积法”,它实际上是用天平和空瓶称出一定质量的水,通过已知常数ρ水进行计算和标记水的体积,借此来量取液体的体积。解题过程如下:

(1)步骤:①用天平称出空瓶的质量(m1)。

②向瓶内装满水后,用天平称出它们的总质量(m2)。

③将瓶内的水改装满待测液体后,用天平称出它们的总质量(m3)。

(2)表达式ρ液=m3-m1m2-m1ρ水。

问题3:盛有适量水的量筒一只,某种金属制成的瓶盖一只,试用上述提供的两种器材测定瓶盖金属的密度。

[解](1)步骤:

①读出量筒内水面所达到的刻度(V1)。

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